ES3036691T3 - Electric drives with high reduction transmissions - Google Patents

Electric drives with high reduction transmissions

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ES3036691T3
ES3036691T3 ES20714322T ES20714322T ES3036691T3 ES 3036691 T3 ES3036691 T3 ES 3036691T3 ES 20714322 T ES20714322 T ES 20714322T ES 20714322 T ES20714322 T ES 20714322T ES 3036691 T3 ES3036691 T3 ES 3036691T3
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pinion
electric motor
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Hermann Stadtfeld
Hanspeter Dinner
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Abstract

Un sistema de propulsión de un vehículo que comprende un motor eléctrico (16) con un eje de transmisión (11), orientado preferiblemente perpendicular al eje común (Aw) de las ruedas (18) que el sistema de propulsión impulsa (es decir, gira). El eje de transmisión del motor eléctrico está conectado mecánicamente a los ejes (20, 22) de las ruedas, alineados con el eje común, mediante una transmisión (10) con al menos un par de engranajes acoplados (12, 14), preferiblemente un piñón descentrado (14), y con una relación de reducción de entre 6 y 15 dientes, con un piñón de 2 a 6 dientes. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Accionamientos eléctricos con transmisiones de alta reducción
Sector técnico de la invención
La invención se dirige al tren de potencia de vehículos eléctricos y, en particular, a la configuración de un motor eléctrico y una transmisión.
Estado de la técnica anterior
Se conocen vehículos accionados eléctricamente desde hace muchos años. Un diseño de accionamiento convencional comprende un motor eléctrico y algún tipo de transmisión dedicada a cada rueda motriz, y situada en, o inmediatamente adyacente a la misma. Estas disposiciones de accionamiento se conocen en la técnica como configuraciones de motor adyacentes a la rueda. Se dan a conocer ejemplos de dichos diseños, por ejemplo, en las Patentes US 2010/0155168; US 2001/0011611; US 1,543,044 y US 1,540,526. Los diseños de este tipo añaden complejidad, peso y coste a un vehículo y, aunque dichos diseños pueden ser adecuados para algunos camiones pesados, son generalmente inadecuados para su aplicación en los vehículos de pasajeros eléctricos actuales (por ejemplo, coches, camiones ligeros, etc.).
Los vehículos eléctricos compactos (por ejemplo, coches, camiones ligeros, etc.) requieren una solución compacta y económica para la ubicación del motor eléctrico y de la transmisión. Incluso los vehículos eléctricos pequeños requieren una transmisión si la máxima eficiencia posible del motor tiene que estar disponible en la mayoría de las condiciones de conducción.
Como un ejemplo, el par motor y la RPM de eficiencia óptima de un motor eléctrico de 80 KW para un vehículo compacto está entre 6000 y 10.000 RPM. Si la velocidad de conducción nominal es de 80 km/h y la velocidad óptima del motor es de 10.000 RPM, la relación óptima entre el motor y las ruedas (utilizando un diámetro de rueda de 410 mm) es de 1x9,66:
Donde:
i... Relación de transmisión
nMotor... RPM óptimas del motor [1/min]
D... Diámetro exterior de los neumáticos [m]
V... Velocidad promedio del vehículo [m/min]
Se han desarrollado diversos conceptos de accionamiento eléctrico (es decir, eDrive). Un ejemplo se muestra en la figura 1, donde el motor y la transmisión se han dispuesto entre las ruedas delanteras, siendo el eje del motor paralelo al eje de las ruedas, y donde se utiliza solamente un motor para accionar ambas ruedas. El diseño, conocido como "diseño en línea", es un diseño muy compacto pero presenta algunos obstáculos principales, que incluyen:
• Gran anchura entre las ruedas delanteras utilizada para la unidad de accionamiento
• Distribución de peso asimétrica
• Mayor radiación térmica a la rueda y al neumático en el lado del motor eléctrico
La gran "anchura entre las ruedas" (es decir, anchura requerida del motor y la transmisión entre las ruedas) tiene como resultado árboles de transmisión cortos. Cada uno de los árboles de transmisión tiene dos juntas de velocidad constante (es decir, juntas CV) que se desgastan rápido en el caso de árboles de transmisión cortos, debido a la inclinación de la dirección y a las oscilaciones del brazo de control. Esto tendrá como resultado una menor eficiencia, y ruido en el eje delantero.
La distribución asimétrica de peso tiene que ser compensada con otros componentes asimétricos del vehículo, tales como la batería. Sin embargo, seguirá existiendo una influencia negativa sobre el comportamiento dinámico del vehículo.
La radiación térmica permanente del motor eléctrico en la figura 1 puede aumentar la temperatura del neumático adyacente entre 10 y 20 °C. El aislamiento de temperatura y un ventilador de refrigeración adicional pueden reducir la temperatura del neumático caliente y del motor eléctrico (es decir, e-motor), pero el consumo de energía eléctrica para la evacuación del calor del motor no es del gusto de los fabricantes de vehículos eléctricos (es decir EV o e-vehículo).
La Patente US 9,022,893 B2 da a conocer una transmisión que incluye un engranaje de anillo y un engranaje de piñón hipoide, con la posibilidad de conseguir relaciones de transmisión por debajo de la relación 2,5:1 habitual, alcanzando valores de hasta una relación 1,3:1, mediante la utilización de una configuración de desplazamiento de piñón negativo donde el engranaje de piñón tiene un ángulo helicoidal menor que el ángulo helicoidal del engranaje de anillo. Este documento muestra las características del preámbulo de la reivindicación 1.
La Patente US 2010/0155168 A1 da a conocer una transmisión que comprende un par de engranajes cónicos que está conectado directamente a la rueda.
Las Patentes US 2005/124451 A1 y US 8,960,341 B2 dan a conocer, cada una, configuraciones en las que el eje de rotación de un engranaje de anillo es paralelo al eje común en el que las ruedas están situadas separadas. La Patente WO2007/048516 A2 muestra un engranaje hipoide con un piñón que tiene 3 dientes. Características de la invención
La invención está dirigida a un vehículo que es desplazable mediante potencia proporcionada mediante, por lo menos, un motor eléctrico, con las características de la reivindicación 1. El vehículo comprende un tren de potencia que comprende el motor eléctrico que tiene el árbol de transmisión, en el que el árbol de transmisión está orientado, preferentemente, perpendicular al eje común de las ruedas que el tren de potencia está destinado a accionar (es decir, a rotar). El árbol de transmisión del motor eléctrico está conectado mecánicamente a los ejes de las ruedas, que están alineadas con el eje común, por medio de una transmisión que comprende, por lo menos, un par de engranajes conjugados, siendo uno del par de engranajes conjugados un piñón descentrado, y siendo la relación de reducción de la transmisión y el número de dientes del piñón acordes con los valores dados en la reivindicación 1.
Para la subsiguiente descripción adicional que hace referencia a los dibujos, cabe señalar que las diversas configuraciones mostradas, para una mejor representación gráfica, se muestran con un número de dientes de piñón descentrado mayor que las del intervalo de 2 a 5 acorde con invención. Por lo tanto, los ejemplos tienen el propósito de explicar configuraciones en general pero, por sí mismos, tal como se muestra explícitamente, no formarían parte de la invención, dado que la invención requiere que dicho piñón descentrado comprenda de 2 a 5 dientes.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra un motor eléctrico convencional y una disposición de transmisión en línea.
La figura 2 muestra un conjunto de engranajes hipoides cónicos que comprende un engranaje de anillo cónico y un piñón hipoide.
La figura 3 muestra una transmisión hipoide de una sola etapa.
La figura 4 ilustra una unidad de accionamiento eléctrico con una reducción hipoide de una sola etapa situada entre las ruedas de un vehículo.
La figura 5 muestra un ángulo helicoidal de piñón grande y un ángulo helicoidal muy grande.
La figura 6 muestra una transmisión reductora cilíndrica-hipoide de dos etapas.
La figura 7 muestra una transmisión reductora cilíndrica-hipoide doble.
La figura 8 muestra una transmisión reductora planetaria-hipoide.
La figura 9 muestra un diagrama de velocidad para transmisión de velocidad única.
La figura 10 muestra un diagrama de velocidad para transmisión de doble velocidad.
La figura 11 muestra una orientación de una transmisión hipoide enfrente del eje.
La figura 12 muestra una orientación de una transmisión hipoide enfrente del eje y bajo un ángulo.
La figura 13 muestra una orientación de una transmisión hipoide para un vehículo con tracción delantera.
La figura 14 muestra una orientación de una transmisión hipoide para un vehículo con tracción en todas las ruedas.
Descripción detallada de la realización preferente
Además, esta memoria descriptiva no pretende describir ni limitar la materia abarcada por ninguna reivindicación, en ninguna parte, párrafo, afirmación o dibujo particular de la solicitud. Asimismo, se debe entender que la fraseología y la terminología utilizadas en el presente documento tienen fines descriptivos y no deberán considerarse como limitativas.
A continuación se explicarán los detalles de la invención haciendo referencia los dibujos adjuntos, que ilustran la invención solamente a modo de ejemplo. En los dibujos, se hará referencia a las características o componentes similares mediante los mismos números de referencia.
Se entiende que el uso de "que incluye", "que tiene" y "que comprende", y las variaciones de los mismos en el presente documento, abarca los elementos enumerados a continuación y los equivalentes de los mismos, así como elementos adicionales. Aunque en lo que sigue se pueden hacer referencia a direcciones tales como superior, inferior, hacia arriba, hacia abajo, hacia atrás, fondo, parte superior, delantero, trasero, etc., en la descripción de los dibujos, estas referencias se hacen por comodidad con respecto a los dibujos, tal como se ven normalmente.
En una realización de la invención, un motor eléctrico de un vehículo es reorientado desde la orientación en línea convencional de la figura 1, preferentemente noventa grados, lo que permite el establecimiento de una unidad de accionamiento eléctrico simétrica que puede proporcionar una relación operativa entre el motor eléctrico y las ruedas, exclusivamente mediante una reducción de una sola etapa. Por ejemplo, el conjunto de engranajes mostrado en la figura 2 es un conjunto de engranajes cónico 2 que comprende un engranaje de anillo cónico 4 y un piñón hipoide conjugado 6. En este ejemplo, el engranaje de anillo tiene 55 dientes y el piñón tiene 7 dientes, que proporcionan de ese modo una relación de dientes del engranaje (Zg/Zp) para el conjunto de engranajes de 55/7 o 7,86. En un conjunto de engranajes hipoides cónicos, el engranaje de anillo y el piñón funcionan en ejes no paralelos y no secantes, Ag y Ap respectivamente, (figura 2), donde la distancia, h, entre planos paralelos, conteniendo uno el eje, Ag, del engranaje de anillo y conteniendo el otro el eje, Ap, del piñón se denomina usualmente desplazamiento, desplazamiento del piñón o desplazamiento hipoide.
La figura 3 muestra una transmisión que tiene una reducción de una sola etapa 10, que comprende un engranaje de anillo cónico 12 y un piñón hipoide conjugado 14. La transmisión comprende por lo menos una entrada y por lo menos una, preferentemente por lo menos dos, salidas. La potencia de entrada es proporcionada por un motor eléctrico 16. La carcasa de transmisión y el diferencial (situados en 15) no se muestran para mayor claridad. El motor eléctrico 16 está orientado de tal modo que el eje de rotación Am del árbol de transmisión del motor eléctrico 16 es preferentemente coincidente con el eje Ap del piñón hipoide 14 y, preferentemente, sustancialmente perpendicular al eje AT de salida de transmisión en torno al cual el engranaje de anillo 12 rota en la transmisión.
Los vehículos eléctricos compactos y de precio reducido requieren una transmisión simple, compacta y económica entre el motor eléctrico y la rueda o ruedas delanteras o traseras. Los vehículos compactos pequeños con accionamiento eléctrico casi nunca requieren velocidades máximas por encima de 90 km/h. Su aplicación principal es la conducción urbana para desplazamientos para ir al trabajo o de compras. Todos los objetivos importantes para un vehículo de este tipo se pueden satisfacer con un motor eléctrico y una transmisión hipoide de una sola etapa situada, preferentemente a medio camino, entre un par de ruedas, tal como se muestra en la figura 4, por ejemplo.
La figura 4 ilustra una transmisión que comprende una reducción de una sola etapa 10 (engranaje de anillo cónico 12 y piñón hipoide conjugado 14) y un motor eléctrico 16, donde el motor 16 está orientado de tal modo que el eje de rotación Am del árbol de transmisión del motor eléctrico 16 es preferentemente coincidente con el eje Ap del piñón hipoide 14 y está orientado, preferentemente, sustancialmente perpendicular al eje A<t>en torno al cual rota el engranaje de anillo 12. El eje Aw es un eje común en torno al cual rotan las ruedas 18. El eje Aw se extiende preferentemente en la dirección de la anchura de un vehículo y es, preferentemente, paralelo a y alineado con, preferentemente coincidente con, los ejes 20 y 22 de las ruedas y el eje At del engranaje de anillo.
La pequeña anchura de la transmisión permite una menor anchura entre las ruedas de la figura 4 lo que hace posible una solución de vehículo compacto que permite un empaquetamiento óptimo y una distribución ideal del peso del vehículo. No es necesario que la relación del conjunto de engranajes sea mayor de 1x15, aunque la relación puede ser mayor. Un segundo conjunto de engranajes, que puede servir para ajustar más óptimamente la velocidad del vehículo a las RPM del rotor eléctrico, no es necesario pero se puede incluir. La transmisión de una sola etapa de la figura 4 tiene una relación de 7,86 (7x55) y un coeficiente de accionamiento inverso de aproximadamente 0,3, que es aceptable para la recuperación de energía durante el funcionamiento por inercia.
Las reducciones de accionamiento eléctrico requieren una alta eficiencia así como una buena capacidad de accionamiento inverso. La capacidad de accionamiento inverso es el grado de facilidad con el que un motor puede ser accionado mediante su carga acoplada cuando se retira la potencia del motor. El accionamiento inverso es importante en dos sentidos. La primera razón es la regeneración de la energía eléctrica en caso de que el conductor del vehículo levante el pie del pedal del acelerador. El motor eléctrico se conmuta a funcionamiento generador y la energía cinética del vehículo se utiliza para recargar la batería, en lugar de gastarse simplemente utilizando los frenos. La segunda razón para la capacidad de accionamiento inverso es evitar el bloqueo de las ruedas en caso de una liberación abrupta del pedal del acelerador. El conjunto de engranajes de la figura 2 satisface muy bien ambos requisitos. Preferentemente, el engranaje de anillo está fosfatado, o recubierto de forma equivalente, para aumentar la eficiencia del conjunto de engranajes antes del rodaje y evitar un pulido caro. A medida que la capa de fósforo se degrada, el rodaje en el conjunto de engranajes finaliza y se mantendrá la eficiencia inicial. Preferentemente, ambos elementos del conjunto de engranajes han sido tratados térmicamente y rectificados después del tratamiento térmico.
La unidad de accionamiento eléctrico en la figura 4 tiene un alto grado de simetría y aleja el motor eléctrico que radia calor respecto del neumático que estaba expuesto al calor del motor, tal como es el caso en el diseño en línea de la figura 1. La distancia entre las bridas del árbol de transmisión 17 presenta una anchura muy pequeña entre las ruedas del motor, lo que permite árboles de transmisión muy largos. Con la posibilidad de orientar el motor hacia la parte delantera o hacia la parte trasera de un vehículo (es decir, en la dirección longitudinal del vehículo), se puede conseguir la distribución de peso ideal y el empaquetamiento óptimo para un vehículo particular. Este diseño muy compacto con solamente dos engranajes y dos árboles se puede fabricar a muy bajo coste y presenta una solución de accionamiento eléctrico muy buena para un vehículo eléctrico compacto pequeño.
La invención contempla asimismo relaciones incluso mayores con un conjunto de engranajes hipoides de una sola etapa, tal como utilizando piñones que tienen cinco o menos dientes (2, 3, 4 o 5 dientes, por ejemplo), así como la combinación de un conjunto de engranajes hipoides y un conjunto de engranajes de reducción cilíndricos, preservándose al mismo tiempo las ventajas básicas mencionadas anteriormente.
Un aspecto que se puede considerar es la velocidad de deslizamiento máxima entre los flancos de los dientes en engrane, generada por el desplazamiento hipoide del piñón. Los conjuntos de engranajes hipoides convencionales (por ejemplo, relación 1x3) con un desplazamiento habitual, como los utilizados en aplicaciones de automoción y camiones (por ejemplo, 19 - 38 mm) tienen una velocidad de deslizamiento relativa de aproximadamente 125 m/min cuando el vehículo está funcionando a una velocidad de 100 km/h. Un accionamiento eléctrico con relación de conjunto de engranajes hipoides de 1x9,66 y una velocidad de motor de 10.000 RPM, por ejemplo, genera una velocidad de deslizamiento relativa de 333 m/min. Esto es más del doble del deslizamiento superficial relativo del conjunto de engranajes hipoide convencional mencionado anteriormente. En tales condiciones, es preferente utilizar aceite hipoide sintético de alta presión, así como revestimientos superficiales de los dientes, tal como se ha explicado anteriormente, para conseguir la vida necesaria del engranaje con respecto a los daños superficiales de los dientes.
Aunque el número de dientes del piñón puede ser un indicador de la capacidad de accionamiento inverso, no es el único indicador de la capacidad de accionamiento inverso de un conjunto de engranajes hipoides. Es necesario considerar también el ángulo helicoidal del piñón. En términos generales, cuanto mayor es el ángulo helicoidal, menor se vuelve la capacidad de accionamiento inverso. Se pueden definir las siguientes categorías de ángulos helicoidales:
Ángulo helicoidal pequeño: 0° a 20
Ángulo helicoidal medio: 20° a 35
Ángulo helicoidal grande: 35° a 65°
Ángulo helicoidal muy grande: 65° a 90°
En la figura 5 se muestran dos ejemplos, uno con un ángulo helicoidal grande y uno con un ángulo helicoidal muy grande. Un cierto número de dientes en un diámetro pequeño tiene como resultado un ángulo helicoidal menor que con el mismo número de dientes en un diámetro grande. Para tener en cuenta los efectos contrapuestos, la capacidad de accionamiento inverso se puede determinar considerando la forma geométrica correcta y un supuesto coeficiente de ficción de 0,08. La fracción T<br>/T<dr>, (fuerza de oposición de accionamiento inverso T<br>/fuerza de accionamiento inverso T<dr>) se denomina coeficiente de accionamiento inverso Cbd. Un valor de Cbd = 1,0 y superior indica una condición de autobloqueo. No se puede conseguir el valor de C<bd>= 0. En la siguiente tabla, se muestran los resultados de C<bd>para cinco diferentes conjuntos de engranajes hipoides.
Aunque un piñón hipoide de automoción de 17 dientes tiene un C<bd>de 0,091, que es excelente, el piñón de 1 diente de ejemplo se autobloquea con un C<bd>de 1,295. Los piñones de 2 a 5 dientes tienen coeficientes muy similares, con el coeficiente bajo inesperado del piñón de 3 dientes, que es menor que el del piñón de 5 dientes. Adicionalmente, la optimización de ciertos parámetros de engranaje de anillo y/o de piñón, tal como la profundidad de los dientes, el diámetro del piñón y los ángulos de cara pueden mejorar más la capacidad de accionamiento inverso.
Por ejemplo, si una relación ideal para una reducción hipoide de accionamiento eléctrico está en el intervalo de 15, entonces un ejemplo es seleccionar 4 dientes de piñón y 60 dientes de engranaje de anillo (preferentemente, 59 o 61 debido a la ventaja de dientes de persecución, es decir, no hay común denominador en los números de dientes en el engranaje de anillo y el piñón conjugado). Dicho conjunto de engranajes deberá, preferentemente, optimizarse con el objetivo de conseguir un coeficiente de accionamiento inverso de C<bd>= 0,3 o menor.
En la figura 6 se muestra otra realización de una transmisión de accionamiento eléctrico. Es una reducción de doble etapa con una primera reducción cilíndrica 30, 32 de 2,33 (21x49) y una segunda reducción hipoide 34, 36 de 4,4 (11x51) que tiene como resultado una relación global de 10,27. La eficiencia de accionamiento de la transmisión de doble etapa será mayor que la transmisión de la figura 4 debido a la menor relación en la etapa hipoide y al coeficiente de accionamiento inverso de aproximadamente 0,15 que es, asimismo, mejor que la transmisión de la figura 4.
Otra realización de una transmisión de accionamiento eléctrico se muestra en la figura 7, en la que se muestra una transmisión cilíndrica-hipoide reductora doble. Los vehículos eléctricos de tamaño intermedio o de gama alta se pueden beneficiar de la transmisión de este tipo. Una unidad de embrague (por ejemplo, accionado de forma electromagnética o hidráulica) puede activar una relación cilíndrica 40, 42 de 1,46 (26x38) o una relación cilíndrica 44, 46 de 3 (16x48). La reducción hipoide 47, 48 tiene una relación de 3,85 (13x50). En conducción hacia delante con velocidades bajas (por ejemplo, hasta 50 km/h) la relación global se puede conmutar a 3 • 3,85 = 11,55. A medida que la velocidad aumenta por encima de 50 km/h, el motor eléctrico funcionará con menos eficiencia y se puede activar el segundo par de engranajes cilíndricos 40, 42. La relación global cambia a 1,46 • 3,85 = 5,62, que permite que el motor reduzca sus RPM para un funcionamiento más eficiente.
La transmisión de la figura 7 es de particular interés en un funcionamiento inercial, cuando el motor se conmuta al modo generador para utilizar la energía cinética del vehículo para recargar la batería. Si la velocidad es de, por ejemplo, 80 km/h (relación de transmisión = 5,62), la transmisión conmutará la relación superior de 11,55 para proporcionar al generador (motor) más RPM para una generación de electricidad más eficiente. Esta realización proporciona flexibilidad, manteniendo al mismo tiempo ventajas tales como el empaquetamiento, buena distribución del peso así como radiación térmica alejada de una de las ruedas, tal como se ha explicado anteriormente con respecto a las transmisiones de una sola etapa y de dos etapas.
En la figura 8 se muestra otra realización que comprende una transmisión de reducción planetaria-hipoide. El sistema de engranajes planetarios 50 comprende un engranaje de anillo interno 52, uno o varios engranajes planeta 54, un engranaje solar 56 y una caja o soporte 58. El árbol 19 del motor está conectado al engranaje solar 56 y el piñón hipoide 60 está conectado a, o es integral con la caja 58 como salida planetaria. El engranaje de anillo 62 rota en torno al eje Aw, que es el eje de rotación de las ruedas accionadas (ver la figura 4).
En el sistema de engranaje planetario, el engranaje solar puede tener un número de dientes diferente de los engranajes planeta. Sin embargo, en el siguiente ejemplo, los engranajes planeta tienen, cada uno, el mismo número de dientes (por ejemplo, 29) que el engranaje solar (29) y el engranaje de anillo interno tiene tres veces el número de dientes (por ejemplo, 87) que el engranaje solar. Independientemente de si el engranaje solar tiene el mismo número de dientes o un número de dientes diferente de los engranajes planeta, son posibles dos relaciones con un sistema planetario. La transmisión planetaria-hipoide requiere un embrague que pueda conectar el engranaje de anillo interno 52 a (a) el engranaje solar (relación 1,0), en la que el engranaje de anillo rota con los engranajes planeta y el engranaje solar a la misma velocidad, o (b) la carcasa de transmisión estacionaria (no mostrada) (relación 4,0) en la que el engranaje de anillo no rota. Dado que una de las dos posibles relaciones es siempre 1,0, la flexibilidad de la transmisión planetaria es menor que la versión cilíndrica-hipoide reductora doble. La transmisión planetaria-hipoide requeriría la relación de reducción hipoide más alta posible que, como se ha explicado anteriormente, entrega una capacidad de accionamiento inverso menor. En la figura 8, la relación hipoide es 5,18 (11x57). La relación global en el primer engranaje es 1,0 * 5,18 = 5,18 y en el segundo engranaje es 4,0 * 5,18 = 20,72.
En el caso de una transmisión de velocidad única (figura 4), la relación entre las RPM del motor y la velocidad del vehículo es, por supuesto, proporcional, tal como se muestra en la figura 9. Esto aplica si el motor eléctrico principal está en modo motor o en modo generador. La RPM de funcionamiento de eficiencia óptima de un motor que tiene un máximo nominal de 15.000 RPM está en la proximidad de 8000 a 10.000 RPM. Este es el intervalo de velocidad con eficiencia alta en el caso de carga promedio. Si la carga es pequeña, entonces la RPM de eficiencia óptima es menor, y viceversa si la carga es mayor. La relación de una transmisión de una sola etapa se define preferentemente de manera que la mayor parte del accionamiento queda dentro del intervalo de eficiencia óptima del motor. La figura 9 indica, asimismo, que el gráfico de velocidad creciente es solamente durante un corto periodo dentro del intervalo de eficiencia óptima del motor. Cuando el operador levanta el pie del pedal del acelerador, el control del motor-generador puede desconectar eléctricamente el motor (es decir, no entra ni sale potencia de motor) y el vehículo disminuye de manera natural la velocidad por inercia. Si se pisa suavemente el pedal del freno, el control puede conmutar el motor a modo generador mientras los discos de freno aún no están activados. Solamente cuando se pisa fuerte el pedal del freno se activan los frenos de disco y soportan el freno del generador eléctrico.
En el caso de una transmisión de doble velocidad, el módulo de control electrónico del vehículo puede decidir cuál de las dos relaciones con respecto a la carga proporcionaría una mejor eficiencia del motor. La figura 10 muestra un diagrama de velocidad habitual con la primera relación mayor que una segunda relación. El primer engranaje está activo hasta que se alcanza la RPM máxima del motor. A continuación, el embrague conmuta al segundo engranaje, que permanece activo hasta que se alcanza de nuevo la velocidad máxima del motor. El gráfico de velocidad de la figura 10 tiene dos secciones que atraviesan el intervalo de eficiencia óptima del motor. En función del ciclo de trabajo del vehículo, la transmisión de dos velocidades puede duplicar el tiempo de funcionamiento dentro del intervalo de velocidad de eficiencia óptima y reducir significativamente el consumo de energía del vehículo.
En función de si se reduce la velocidad suavemente por inercia hasta detenerse por completo (con desconexión del motor) o si se frena de forma ligera o fuerte, el módulo de control electrónico del vehículo puede regular la reducción de marcha para optimizar la fuerza de frenado y maximizar la recarga de la batería. La reducción de marcha flexible se muestra en la figura 10 como líneas de trazos. Se pueden considerar las siguientes condiciones de frenado:
• Levantar el pie del acelerador - rodar por inercia con el motor/generador desconectado eléctricamente; • Presionar el pedal del freno hasta el 30 % de su recorrido - fuerza de frenado proporcional a la fuerza del pedal mediante reducción de marcha controlada y condiciones de carga de generador controladas (la función ABS sigue activa mediante la carga por pulsos del generador);
• Presionar el pedal del freno más allá del 30 % del recorrido - freno mecánico aplicado además del freno del generador.
Algunos vehículos eléctricos, incluso modelos grandes de gama alta, realizan el frenado liberando el pedal del acelerador. Esta tecnología reduce la comodidad de la conducción, es antiintuitiva y puede conducir a condiciones de conducción no seguras. Requiere posiciones del pie firmes y poco naturales, que fatigan el pie del acelerador así como al conductor.
Tal como se ha mencionado anteriormente, una reducción hipoide permite la colocación del motor eléctrico en el centro del eje delantero o trasero, entre las ruedas. Las imágenes de un sedán compacto de pequeño tamaño en las figuras 11 y 12 muestran el motor eléctrico delante del eje delantero. Con una localización de la batería por debajo del suelo de la cabina de pasajeros (entre las ruedas delanteras y traseras), la orientación del motor que se muestra en la figura 11 presenta una buena distribución del peso y podría formar parte del concepto de seguridad pasiva contra impactos a pasajeros. Es posible invertir el sentido del desplazamiento hipoide (motor superior o inferior) y encontrar un ángulo de orientación del motor de empaquetamiento óptimo, tal como se muestra en la figura 12.
Aunque es preferente que el motor eléctrico esté orientado de manera que el eje de rotación del árbol de transmisión sea horizontal o paralelo al suelo (por ejemplo, paralelo a un plano que contiene el eje de las ruedas delanteras y el eje de las ruedas traseras de un vehículo situado en una superficie de nivel plano) tal como se muestra en la figura 11, la invención no se limita a esto. La orientación del motor eléctrico puede ser en ángulo, de manera que el eje de rotación del árbol de transmisión no se extienda horizontal o paralelo al suelo (no paralelo a un plano que contiene el eje de las ruedas delanteras y el eje de las ruedas traseras de un vehículo situado sobre una superficie de nivel plano), sino en un ángulo con el mismo, tal como se muestra en la figura 12.
En el caso de un coche de pasajeros con tracción a todas las ruedas, la misma unidad de transmisión que está impulsando las ruedas delanteras se puede utilizar para impulsar asimismo las ruedas traseras. Las figuras 13 y 14 muestran un dispositivo de tracción delantera con el cuerpo del motor apuntando hacia la parte trasera (figura 13) y una disposición con tracción a todas las ruedas con el cuerpo de ambos motores apuntando hacia atrás (figura 14).
Las disposiciones mostradas en las figuras 11 a 14 ejemplifican cuán compacta es la transmisión de vehículo eléctrico hipoide (es decir, e-transmisión) y lo bien que se puede ajustar a determinadas restricciones de empaquetamiento en un determinado concepto integral de vehículo. Son posibles otras orientaciones de la transmisión eléctrica que consiguen soluciones personalizadas para todos los diseños de vehículo eléctrico ya existentes.
El motor o motores eléctricos de un vehículo pueden estar situados de manera que el eje de rotación del árbol de transmisión del motor se extienda en la dirección a lo largo (longitudinal) de un vehículo con el árbol de transmisión del motor orientado hacia la parte delantera o trasera del vehículo. Además, aunque es preferente que el engranaje de anillo de la transmisión esté situado a medio camino (es decir, localización central en la dirección de la anchura de un vehículo) entre las ruedas que se pretende accionar (ver la figura 4, por ejemplo), la invención no se limita esto. El engranaje de anillo de la transmisión puede estar situado en cualquier ubicación a lo largo del eje de las ruedas dentro de una instancia "d", en cualquier dirección, desde la ubicación central entre un par de ruedas. Preferentemente, la distancia "d" no es mayor del 50 por ciento de la distancia desde la ubicación central de cada rueda individual. La figura 4 muestra un ejemplo de la distancia "d".
La reducción hipoide inventiva ofrece diversas ventajas. Se pueden conseguir perfectamente una distribución simétrica del peso y una menor exposición de las ruedas y de la batería a la radiación térmica. La reducción de velocidad que es posible con la reducción hipoide supera la que se consigue convencionalmente para conjuntos de engranajes cilíndricos (se han conseguido relaciones entre 6 y 15 para los desarrollos del presente accionamiento eléctrico inventivo). Esto hace posible que los vehículos compactos de pequeño tamaño limiten la transmisión a una relación fija pero grande. El resultado es una transmisión simple y económica, con un árbol del motor que es, asimismo, un árbol de piñón y con solamente un árbol adicional para el engranaje de anillo. Por supuesto, igual que todos los accionamientos de eje con engranajes hipoides, la caja del diferencial cabe convenientemente en el interior de la silueta del engranaje de anillo-piñón (ver 15 en la figura 3) sin consumo de espacio adicional.
Aunque la invención se ha explicado haciendo referencia a conjuntos de engranajes cónicos que comprenden un engranaje de anillo y piñón hipoide, la invención no se limita esto. Se contemplan asimismo otros conjuntos de engranajes, tales como un tornillo sin fin y una rueda sin fin o un engranaje frontal y un piñón cilíndrico descentrado. Se pueden utilizar asimismo conjuntos de engranajes cónicos helicoidales y cónicos rectos, particularmente en combinación con una reducción planetaria o de doble etapa, tal como se muestra en las figuras 6, 7 y 8, por ejemplo.
Si bien es preferente que el eje de rotación, Am, del árbol de transmisión del motor eléctrico y el eje, Aw, de las ruedas sean perpendiculares, tal como se muestra en la figura 4, por ejemplo, la invención no se limita a esto. El eje, Am, del árbol de transmisión del motor puede estar orientado hasta en ± 45 grados con respecto a la orientación perpendicular (por ejemplo, figura 4) del eje de rotación, Am, del árbol de transmisión con respecto al eje , Aw, de las ruedas. En otras palabras, el eje, Am, del árbol de transmisión del motor eléctrico puede estar orientado en cualquier ángulo dentro del intervalo de 45 grados a 135 grados con respecto al eje Aw de las ruedas. Un cambio apropiado del ángulo cónico del engranaje de anillo y del piñón acompañaría dicho cambio en la orientación del eje del árbol de transmisión.
Comparada con una línea motriz convencional de vehículo que comprende un motor, transmisión o caja de engranajes, diferencial, ejes y ruedas, la invención elimina esencialmente la necesidad de una transmisión (o caja de engranajes) y componentes del diferencial separados. En general, la transmisión inventiva combina de manera eficaz los componentes de la transmisión y del diferencial en un solo componente, lo que es particularmente beneficioso para vehículos eléctricos dado que proporciona libertad para la colocación y orientación del motor. Esto es posible gracias a la utilización de un piñón hipoide que tiene un número bajo de dientes y una relación de conjuntos de engranajes elevada, particularmente para la transmisión inventiva que tiene una reducción de una sola etapa.
Aunque la utilidad preferente de la transmisión inventiva es recibir potencia de entrada desde un motor eléctrico, tal como para impulsar un coche o camión, por ejemplo, la transmisión se contempla asimismo para su uso en vehículos en los que el motor principal es de otro tipo diferente al eléctrico o exclusivamente eléctrico, tal como vehículos híbridos o vehículos impulsados por pilas de combustible.
Aunque la invención se ha descrito haciendo referencia a las realizaciones preferentes, debe entenderse que la invención no se limita a los detalles de estas. Se prevé que la presente invención incluya las modificaciones que serían evidentes para los expertos en la materia a la que esta se refiere, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Vehículo que se puede mover mediante potencia proporcionada por, al menos, un motor eléctrico que tiene un árbol de transmisión, teniendo dicho vehículo un par de ruedas giratorias que pueden girar mediante la potencia proporcionada por dicho, por lo menos, un motor eléctrico, estando situadas dicho par de ruedas giratorias separadas en la dirección de la anchura de dicho vehículo, a lo largo de un eje común (A<w>), comprendiendo, además, dicho vehículo una transmisión, proporcionando dicha transmisión una reducción de accionamiento eléctrico con capacidad de accionamiento inverso definida y comprendiendo una entrada que tiene un eje de rotación de entrada y por lo menos un par de engranajes conjugados, siendo uno del par de engranajes conjugados un piñón descentrado que tiene un eje de rotación (A<p>) que define dicho eje de rotación de entrada, estando dicha transmisión ubicada centralmente entre el par de ruedas o a una distancia (d) desde la posición central, siendo dicha distancia (d) igual o menor del 50 por ciento de la distancia desde la ubicación central a cada rueda individual del par y comprendiendo, además, dicha transmisión por lo menos una salida, teniendo dicha por lo menos una salida un eje de rotación de salida y estando conectada de manera rotatoria a cada una del par de ruedas mediante un eje respectivo,caracterizado por quedicha transmisión tiene una relación de reducción en el intervalo de 6 a 15, ypor quela capacidad de accionamiento inverso, expresada como coeficiente de accionamiento inverso C<BD>, que es la relación entre la fuerza de oposición de accionamiento inverso y la fuerza de accionamiento inverso, está dada por un Cbd que es menor de 0,336 mientras que dicho piñón descentrado comprende solamente de 2 a 5 dientes.
2. Vehículo, según la reivindicación 1, en el que el otro de dicho par de engranajes conjugados comprende un engranaje de anillo cónico que tiene un eje de rotación (At) que define dicho eje de rotación de salida, y en el que dicho piñón descentrado comprende un piñón cónico hipoide.
3. Vehículo, según la reivindicación 2, en el que el eje de piñón descentrado (A<p>) está orientado perpendicular al eje del engranaje de anillo (A<t>) o a ± 45 grados con respecto a la perpendicular al eje del engranaje de anillo (At).
4. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, por lo menos, un par adicional de engranajes de reducción.
5. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que incluye, además, un engranaje de reducción adicional que comprende un sistema de engranajes planetarios.
6. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que es una transmisión de una sola etapa.
7. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el eje de rotación (At) del engranaje de anillo es paralelo al eje común (A<w>).
8. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un primer motor eléctrico para accionar un par delantero de ruedas y un segundo motor eléctrico para accionar un par trasero de ruedas.
9. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el que el árbol de transmisión de dicho, por lo menos, un motor eléctrico está conectado de manera giratoria a dicho piñón hipoide, comprendiendo dicho árbol de transmisión un eje de rotación (A<m>) del árbol de transmisión, siendo dicho eje de rotación (A<m>) del árbol de transmisión coincidente con el eje (A<p>) del piñón.
10. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene una parte delantera y una parte trasera, con una dirección longitudinal definida entre la parte delantera y la parte trasera, estando dicho, por lo menos, un motor eléctrico situado en dicho vehículo de manera que dicho eje de rotación (A<m>) del árbol de transmisión está orientado en dicha dirección longitudinal.
11. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicho, por lo menos, un par de engranajes conjugados comprende un engranaje frontal y un piñón cilíndrico conjugado descentrado.
12. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicho, por lo menos, un par de engranajes conjugados comprende un tornillo sin fin y una rueda sin fin.
13. Vehículo, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, que comprende un motor eléctrico y una transmisión hipoide de una sola etapa.
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